工业机器人机械系统设计.pptx
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1、第五章第五章第五章第五章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2 2 22-2-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31主要内容主要内容5.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计5.2传动部件设计传动部件设计5.3臂部设计臂部设计5.4手腕设计手腕设计5.5手部设计手部设计5.6机身及行走机构设计机身及行走机构设计3 3 33-3-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/315.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计一、主体结构设计一、主体结构设计工业机器人坐标形式有:工业机器人坐标形式有:直角坐标式直角坐标式圆柱
2、坐标式圆柱坐标式球面坐标式球面坐标式(极坐标式极坐标式)关节坐标式。关节坐标式。4 4 44-4-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 1.直角坐标式机器人直角坐标式机器人 一般直角坐标式机器人的手臂能垂一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动直上下移动(Z方向运动方向运动),并可沿滑架,并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移和横梁上的导轨进行水平面内二维移动动(x和和y方向运动方向运动)。直角坐标式机器人主要用于生产设直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料,也可用于高精度的装配备的上下料,也可用于高精度的装配和检测作业。和检测作业。直角坐标式机器人主体结构具有三直角
3、坐标式机器人主体结构具有三个自由度,而手腕自由度的多少可视个自由度,而手腕自由度的多少可视用途而定。用途而定。直角坐标机器人演示直角坐标机器人演示直角坐标机器人应用直角坐标机器人应用5 5 55-5-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31直角坐标式机器人的优点是:直角坐标式机器人的优点是:(1)结构简单。结构简单。(2)容易编程。容易编程。(3)采用直线滚动导轨后,速度采用直线滚动导轨后,速度高,定位精度高。高,定位精度高。(4)在在x,y和和z三个坐标轴方向三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用,对控制上的运动没有耦合作用,对控制系统设计相对容易些。系统设计相对容易些。6 6
4、66-6-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31直角坐标式机器人主要缺点是:直角坐标式机器人主要缺点是:(1)导轨面的防护比较困难。导轨面的防护比较困难。(2)导轨的支承结构增加了机器人的重量,并导轨的支承结构增加了机器人的重量,并减少了有效工作范围。减少了有效工作范围。(3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,价格高。价格高。(4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。(5)移动部件的惯量比较大,增加了驱动装置移动部件的惯量比较大,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。的尺寸和能量消耗。7 7 77-7-工
5、业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 起重机台架式直角坐标机器人的应用越来起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多,在直角坐标机器人中的比重正在增加。越多,在直角坐标机器人中的比重正在增加。8 8 88-8-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人主体结圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度:腰转,构具有三个自由度:腰转,升降,手臂伸缩。升降,手臂伸缩。手腕通常采用两(三)个手腕通常采用两(三)个自由度,绕手臂纵向轴线自由度,绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴转动和与其垂直的水平轴线转动。线转动。9 9 9
6、9-9-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31圆柱坐标式机器人的优点:圆柱坐标式机器人的优点:(1)除了简单的)除了简单的“抓一放抓一放”作业外还可以用在许多其它生作业外还可以用在许多其它生产领域。产领域。(2)结构紧凑。结构紧凑。(3)在垂直方向和径向有两个在垂直方向和径向有两个往复运动,可采用伸缩套筒式往复运动,可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去,在很大程度上把手臂缩进去,在很大程度上减少了转动惯量,改善动力学减少了转动惯量,改善动力学载荷。载荷。10101010-10-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31
7、圆柱坐标式机器人的缺点:圆柱坐标式机器人的缺点:主要是由于机身结构的缘故,主要是由于机身结构的缘故,手臂不能抵达底部,减少了手臂不能抵达底部,减少了机器人的工作范围。机器人的工作范围。11111111-11-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313球面坐标式机器人球面坐标式机器人 球面坐标式机器人具有较大的球面坐标式机器人具有较大的工作范围,设计和控制系统比较工作范围,设计和控制系统比较复杂。复杂。在这类机器人中最出名的一种在这类机器人中最出名的一种产品是美国产品是美国unimation公司的公司的Unimation 机器人,它的结构简图机器人,它的结构简图如图所示。如图所示
8、。机器人主体结构有三个自由度,机器人主体结构有三个自由度,绕垂直轴线绕垂直轴线(柱身柱身)转动、水平轴线转动、水平轴线(关节关节6)的转动、手臂伸缩的移动的转动、手臂伸缩的移动关节关节2,其最大行程决定了球面最,其最大行程决定了球面最大半径,机器人实际工作范围的大半径,机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。形状是个不完全的球缺。12121212-12-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/314关节坐标式机器人关节坐标式机器人 关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节,手腕的三个自由度肩关节、肘关
9、节全部是转动关节,手腕的三个自由度上的转动关节上的转动关节(俯仰,偏转和翻转俯仰,偏转和翻转)用来最后确定末端用来最后确定末端操作器的姿态。操作器的姿态。13131313-13-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31关节坐标式机器人的优点:关节坐标式机器人的优点:(1)结构紧凑,工作范围大而安装占地面)结构紧凑,工作范围大而安装占地面积小。积小。(2)具有很高的可达性。具有很高的可达性。(3)因为没有移动关节,所以不需要导轨。因为没有移动关节,所以不需要导轨。(4)所需关节驱动力矩小,能量消耗较少。所需关节驱动力矩小,能量消耗较少。14141414-14-工业机器人技术基础工
10、业机器人技术基础2016/10/31关节坐标式机器人的缺点:关节坐标式机器人的缺点:(1)肘关节和肩关节轴线肘关节和肩关节轴线是平行的,当大小臂舒展是平行的,当大小臂舒展成直线时虽能抵达很远的成直线时虽能抵达很远的工作点,但是机器人结构工作点,但是机器人结构刚度比较低。刚度比较低。(2)机器人手部在工作范机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学围边界上工作时有运动学上的退化行为。上的退化行为。15151515-15-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31二、传送方式的选择二、传送方式的选择 传动方式选择传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件是指选择驱动源及传动装置与关
11、节部件的的连接形式连接形式和和驱动方式驱动方式。基本的连接形式和驱动方式有如下几种:基本的连接形式和驱动方式有如下几种:(1)直接连接传动。)直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。与关节相连。(2)远距离连接传动。)远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。与关节相连。(3)间接驱动。)间接驱动。驱动源经一个速比远大于驱动源经一个速比远大于1的机械传的机械传动装置与关节相连。动装置与关节相连。(4)直接驱动。)直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于比等于1的机械传动这样的
12、中间环节与关节相连。的机械传动这样的中间环节与关节相连。16161616-16-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31(a)直接连接传动,间接驱动直接连接传动,间接驱动(b)直接连接传动,直接驱动直接连接传动,直接驱动(c)远距离连接传动,间接驱动远距离连接传动,间接驱动(d)远距离连接传动,直接驱动远距离连接传动,直接驱动17171717-17-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/311直接连接传动的特点直接连接传动的特点 优点:优点:驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。缺点:缺点:电机比较重,腰转时大臂关节电机和电机比较重,
13、腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随之运动;大臂转动时小臂关节小臂关节电机随之运动;大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗,而且电机也随之运动。不仅增加了能量消耗,而且增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相有损害。有损害。克服的办法:克服的办法:把肘关节电机、肩关节电机都把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上,通过远距离的机械放到机器人的基础部件上,通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。传动把电机动力传给肘和肩关节。18181818-18-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2远距离连接传动远距离连接传动
14、 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要优点:的主要优点:(1)克服了直接连接克服了直接连接传动的缺点。传动的缺点。(2)可以把电机作为可以把电机作为一个平衡质量,获得平一个平衡质量,获得平衡性良好的机器人主体衡性良好的机器人主体结构。结构。19191919-19-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 2远距离连接传动远距离连接传动 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要缺点:的主要缺点:(1)远距离传动产生额远距离传动产生额外的间隙和柔性,影响外的间隙和柔性,影响机器人的精度。机器人的精度。(2)增加能量消耗。增加能量消耗。(3)结构庞大,传动)结构庞大,
15、传动装置占据了机器人其它装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。子系统所需要的空间。20202020-20-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 图所示图所示SCARA机器人采用机器人采用了一种折哀的方案:了一种折哀的方案:因为手腕离机器人基础件因为手腕离机器人基础件最远,把手腕电机从手腕处最远,把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装,中间移到基础件附近安装,中间采用同步带传动;采用同步带传动;因基础件附近空间已经比因基础件附近空间已经比较狭窄,并且臂较狭窄,并且臂1的刚性也的刚性也比较好,肘关节电机就直接比较好,肘关节电机就直接装在肘关节上。装在肘关节上。21212121-
16、21-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313间接驱动机器人间接驱动机器人 间接驱动机器人是驱动电机和关节之间间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于有一个速比远大于1的机械传动装置。的机械传动装置。使用机械传动装置的理由是:使用机械传动装置的理由是:(1)工业机器人关节转轴的速度不高,而关节工业机器人关节转轴的速度不高,而关节驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要求,所以需要采用速比较大、传动效率较高的机求,所以需要采用速比较大、传动效率较高的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度械传动装置作为电机和关节之间传递
17、力矩和速度的中间环节。的中间环节。(2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来,但是电机价格高,并且转矩体积比开发出来,但是电机价格高,并且转矩体积比和转矩重量比还比较小。和转矩重量比还比较小。22222222-22-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313间接驱动机器人间接驱动机器人 (3)直接驱动对载荷变化十分敏感。直接驱动对载荷变化十分敏感。(4)采用机械传动装置后,可选用高速低转矩采用机械传动装置后,可选用高速低转矩电机,对制动器设计和选用十分有利,制动器电机,对制动器设计和选用十分有利,制动器尺寸小。尺寸小。(5)可以通过机
18、械传动装置解决可能出现的倾可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行轴之间以及转动斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间的移动之间的运动转换。运动转换。23232323-23-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/314直接驱动机器人直接驱动机器人 直接驱动机器人也叫作直接驱动机器人也叫作DD机器人机器人(Direct Drive Robot)简称简称DDR。DD机器人一般指驱动电机通过机械接口机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接,也包括一种采用速比等于直接与关节连接,也包括一种采用速比等于l的钢带传动的直接驱动机器人。的钢带传动的直接驱动机器人。DD机器人的特
19、点机器人的特点是驱动电机和关节之间是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。没有速度和转矩的转换。24242424-24-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31 DD机器人与间接驱动机器人相比如下优点:机器人与间接驱动机器人相比如下优点:(1)机械传动精度高。机械传动精度高。(2)振动小,结构刚度好。振动小,结构刚度好。(3)机械传动损耗小。机械传动损耗小。(4)结构紧凑、可靠性高。结构紧凑、可靠性高。(5)电机峰值转矩大,电气时间常数小,短时电机峰值转矩大,电气时间常数小,短时间内可以产生很大转矩,响应速度快,调速范间内可以产生很大转矩,响应速度快,调速范围宽。围宽。252
20、52525-25-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31目前主要存在的问题是:目前主要存在的问题是:(1)载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著,使控制系统设计困难和复杂。及控制影响显著,使控制系统设计困难和复杂。(2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求。要求。(3)电机的转矩重量比,转矩体积比不大,电机的转矩重量比,转矩体积比不大,需开发小型实用的需开发小型实用的DD电机。电机。(4)电机成本高。电机成本高。26262626-26-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/3
21、1三、模块化结构设计三、模块化结构设计1.模块化工业机器人模块化工业机器人模块化机器人是由一些模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人式组成一个工业机器人系统。系统。模块化设计模块化设计是指是指基本模基本模块设计块设计和和结合部设计结合部设计。模块化机器人演示模块化机器人演示27272727-27-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/312模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点(1)经济性:经济性:采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人采用批量制
22、造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块,自由拼装工业机器人,满足用户经济性好和基模块,自由拼装工业机器人,满足用户经济性好和基本功能全的要求。本功能全的要求。(2)灵活性。灵活性。其主要体现在:其主要体现在:1)可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量,机器人的自由度可以方便地增减。量,机器人的自由度可以方便地增减。2)为了扩大工业机器人的工作范围,可更换具有更长为了扩大工业机器人的工作范围,可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。长度的手臂模块或加接手臂模块。3)能不断对现规模块化工业机器人更新改造。能不断对现规模块化工业机器人更新改造
23、。机器人演示机器人演示28282828-28-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/313.模块化工业机器人所存在的问题模块化工业机器人所存在的问题 (1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。较差。(2)因为有许多机械接口及其它连接附件,所因为有许多机械接口及其它连接附件,所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。(3)虽然功能模块有多种多样,但是虽然功能模块有多种多样,但是尚未真正尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。和设计。2929292
24、9-29-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31四、材料的选择四、材料的选择 正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格,更重要的是可适应机器人的高速化、本价格,更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化,满足其静力学及动力学高载荷化及高精度化,满足其静力学及动力学特性要求。特性要求。30303030-30-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31选择的基本要求:选择的基本要求:(1)强度高。强度高。(2)弹性模量大。弹性模量大。(3)重量轻。重量轻。(4)阻尼大。阻尼大。(5)材料价格低。材料价格低。31313
25、131-31-工业机器人技术基础工业机器人技术基础2016/10/31五五.平衡系统设计平衡系统设计 1工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用 在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是:在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是:(1)安全。安全。根据机器人动力学方程知道,关节驱动力矩项包括重根据机器人动力学方程知道,关节驱动力矩项包括重力矩项,即各连杆质量对关节产生重力矩。力矩项,即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的,即使机器人停止了运动重力矩因为重力是永恒的,即使机器人停止了运动重力矩项仍然存在。这样,当机器人完成作业切断电源后,项仍然存在。这样,当机器人完成作业切断电源后,
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- 工业 机器人 机械 系统 设计
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